JP2002203857A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 配線周囲の絶縁膜が剥がれる現象が生じるこ
とのないＣｕ系配線を備える半導体装置およびその製造
方法を提供すること。 【解決手段】 半導体基板（１）上に形成された絶縁層
（２）と、この絶縁層（２）に形成された配線パターン
溝（３）と、この配線パターン溝（３）の内面に形成さ
れた導電性拡散防止層（４）と、内面に導電性拡散防止
層（４）が形成された配線パターン溝内に形成されたＣ
ｕ系配線（６）とを具備し、前記Ｃｕ系配線（６）の硫
黄の含有量は、１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下、
であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置および
その製造方法に係り、特に、Ｃｕ系配線を備えた半導体
装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、大規模集積回路（Ｌａｒｇｅ Ｓ
ｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：Ｌ
ＳＩ）の多層配線材料は、Ａｌ合金からＣｕへと移行し
ている。Ｃｕは、Ａｌに比べてバルク材の自己拡散係数
が小さく、比抵抗も約３５％低いことから、ＥＭ（Ｅｌ
ｅｃｔｒｏ−Ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）耐性の向上、および
配線総抵抗の低減を達成することが可能である。
【０００３】しかし、Ｃｕは、次のような欠点を有す
る。 （１）ＣｕはＳｉ中およびＳｉＯ2中の拡散係数が大き
いため、トランジスタのチャネル部に達してバンドギャ
ップ中央に準位を形成し、電気的特性の劣化を招いてし
まう。
【０００４】（２）銅塩化物の蒸気圧が低いため、レジ
ストをマスクとして用いた塩素原子を含むガスによるエ
ッチング加工が困難である。 （３）Ｃｕは腐食され易いため、細線パターンの断線
や、表面に形成された絶縁膜の膜剥がれを起こし易い。
【０００５】以上の欠点のうち、（１）の欠点に対して
は、Ｔａ，ＴａＮ，ＴｉＮ等のバリアメタルやＳｉＮ等
の絶縁膜といった、Ｃｕの拡散係数の小さい材料からな
る層でＣｕを囲むことにより、拡散を抑制することが可
能である。また、（２）の欠点に対しては、絶縁膜上に
Ｃｕを堆積して、絶縁膜に形成した溝パターンにＣｕを
埋め込み、絶縁膜上の余剰部分を研磨により除去するダ
マシーン法を用いることにより、エッチングによること
なく配線を形成することが可能である。また、（３）の
酸化し易いという欠点に対しては、Ｃｕ表面に水素ガス
による還元処理や薬液処理を施すことによって、酸化層
を除去することにより対処することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような対
策をとってもなお、配線周囲の絶縁膜が剥がれる現象が
生じており、その原因の究明およびその対策が望まれて
いた。
【０００７】本発明は、このような事情の下になされ、
配線周囲の絶縁膜が剥がれる現象が生じることのないＣ
ｕ系配線を備える半導体装置、およびその製造方法を提
供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、半導体基板上に形成されたＣｕ系金属を
主体とするＣｕ系配線層と、このＣｕ系配線層の周囲に
形成された絶縁層とを具備し、前記Ｃｕ系金属中の硫黄
の含有量は、１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下であ
ることを特徴とする半導体装置を提供する。
【０００９】また、本発明は、半導体基板上に形成され
たＣｕ系金属を主体とするＣｕ系配線層と、このＣｕ系
配線層の周囲に形成された絶縁層とを具備し、前記Ｃｕ
系金属中の弗素の含有量は、１００原子ｐｐｍ以上、１
原子％以下であることを特徴とする半導体装置を提供す
る。
【００１０】これらの場合、前記半導体基板上に絶縁層
が形成され、前記Ｃｕ系配線層は、前記絶縁層に設けら
れた配線パターン溝内に形成された、いわゆるダマシー
ン構造とすることが出来る。また、前記Ｃｕ系配線層ま
たは前記導電性拡散防止層と直接接する前記絶縁層の部
分の硫黄または弗素の含有量は、０〜１原子％とするこ
とが出来る。
【００１１】本発明は、前記絶縁層の比誘電率が、３．
０以下である場合に、特に効果的に適用することが出来
る。本発明は、以上のように構成される半導体装置の製
造方法を提供する。本発明の半導体装置の製造方法に
は、以下の４つの態様がある。
【００１２】（１）半導体基板上に絶縁層を形成する工
程と、前記絶縁層に配線パターン溝を形成する工程と、
不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、若しくは真空中
で熱処理を施すか、アンモニア雰囲気中でプラズマ処理
を施すか、または、アンモニア溶液処理を施す工程と、
前記処理の施された前記配線パターン溝の内面および前
記絶縁層上に導電性拡散防止層を形成する工程と、前記
導電性拡散防止層上にＣｕ系金属層を形成し、前記配線
パターン溝内をＣｕ系金属で埋める工程と、前記配線パ
ターン溝内以外のＣｕ系金属層と導電性拡散防止層の部
分を除去して、前記配線パターン溝内にＣｕ系配線層を
形成する工程と、前記Ｃｕ系配線層および前記絶縁層上
に、Ｃｕ系金属の拡散を抑制可能な絶縁膜を形成する工
程とを具備してなり、前記Ｃｕ系金属層中の硫黄または
弗素の濃度が１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下に設
定されることを特徴とする。
【００１３】（２）半導体基板上に絶縁層を形成する工
程と、前記絶縁層に配線パターン溝を形成する工程と、
前記配線パターン溝の内面および前記絶縁層上に導電性
拡散防止層を形成する工程と、前記導電性拡散防止層上
にＣｕ系金属層を形成し、前記配線パターン溝内をＣｕ
系金属で埋める工程と、前記Ｃｕ系金属層に対し、不活
性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、または真空中で熱処
理を施す工程と、前記配線パターン溝内以外のＣｕ系金
属層と導電性拡散防止層の部分を除去して、前記配線パ
ターン溝内にＣｕ系配線層を形成する工程と、前記Ｃｕ
系配線層および前記絶縁層上に、Ｃｕ系金属の拡散を抑
制可能な絶縁膜を形成する工程とを具備してなり、前記
Ｃｕ系金属層中の硫黄または弗素の濃度が１００原子ｐ
ｐｍ以上、１原子％以下に設定されることを特徴とす
る。
【００１４】（３）半導体基板上に絶縁層を形成する工
程と、前記絶縁層に配線パターン溝を形成する工程と、
前記配線パターン溝の内面および前記絶縁層上に導電性
拡散防止層を形成する工程と、前記導電性拡散防止層上
にＣｕ系金属層を形成し、前記配線パターン溝内をＣｕ
系金属で埋める工程と、前記配線パターン溝内以外のＣ
ｕ系金属層と導電性拡散防止層の部分を除去して、前記
配線パターン溝内にＣｕ系配線層を形成する工程と、前
記Ｃｕ系配線層を形成した後、不活性雰囲気中、水素を
含む雰囲気中、若しくは真空中で熱処理を施すか、アン
モニア雰囲気中でプラズマ処理を施すか、または、アン
モニア溶液処理を施す工程と、前記Ｃｕ系配線層および
前記絶縁層上に、Ｃｕ系金属の拡散を抑制可能な絶縁膜
を形成する工程とを具備してなり、前記Ｃｕ系金属層中
の硫黄または弗素の濃度が１００原子ｐｐｍ以上、１原
子％以下に設定されることを特徴とする。
【００１５】（４）半導体基板上に絶縁層を形成する工
程と、前記絶縁層に配線パターン溝を形成する工程と、
不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、若しくは真空中
で熱処理を施すか、アンモニア雰囲気中でプラズマ処理
を施すか、または、アンモニア溶液処理を施す工程と、
前記処理の施された配線パターン溝の内面および前記絶
縁層上に導電性拡散防止層を形成する工程と、前記導電
性拡散防止層上にＣｕ系金属層を形成し、前記配線パタ
ーン溝内をＣｕ系金属で埋める工程と、前記Ｃｕ系金属
層に対し、不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、若し
くは真空中において熱処理を施す工程と、前記配線パタ
ーン溝内以外のＣｕ系金属層と導電性拡散防止層の部分
を除去して、前記配線パターン溝内にＣｕ系配線層を形
成する工程と、前記Ｃｕ系配線層を形成した後、不活性
雰囲気中、水素を含む雰囲気中、若しくは真空中で熱処
理を施すか、アンモニア雰囲気中でプラズマ処理を施す
か、または、アンモニア溶液処理を施す工程と、前記Ｃ
ｕ系配線層および前記絶縁層上に、Ｃｕ系金属の拡散を
抑制可能な絶縁膜を形成する工程とを具備することを特
徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。本発明は、Ｃｕ系配線を
備えた半導体装置において、Ｃｕ系配線層の硫黄または
弗素の含有量は、１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下
であることを特徴とする。
【００１７】本発明におけるＣｕ系配線は、Ｃｕ系金属
からなる配線であり、Ｃｕ系金属としては、Ｃｕに限ら
ず、ＣｕＡｇ、ＣｕＰｔ、ＣｕＡｌ、ＣｕＣ等の銅合金
を用いることが出来る。本発明において、このようなＣ
ｕ系配線を適宜囲んでＣｕの拡散を抑制するための導電
性拡散防止層は、例えば、Ｔａ，ＴａＮ，ＴｉＮ等によ
り構成することが出来る。また、導電性拡散防止層に代
わり、Ｃｕ系配線の上面に形成され得る絶縁性拡散防止
層（Ｃｕ系金属の拡散を抑制可能な絶縁膜）としては、
ＳｉＮ、ＳｉＣ等を用いることが出来る。
【００１８】また、硫黄または弗素量は、二次イオン質
量分析法（ＳＩＭＳ）やフーリエ変換赤外分析法（ＦＴ
ＩＲ）により分析することが可能である。なお、Ｃｕの
異常成長やCuの線膨張係数変動の要因となるのは、他の
原子に結合されている硫黄元素または弗素元素ではな
く、遊離の硫黄または弗素であるところ、ＳＩＭＳは硫
黄元素または弗素元素の総量を分析可能であり、ＦＴＩ
Ｒは結合手を有する硫黄元素または弗素元素を分析可能
であるので、これらを組合せることにより、本発明の対
象となる遊離の硫黄または弗素量の分析が可能である。
【００１９】本発明者らは、配線周囲の絶縁膜が剥がれ
る現象について、その原因を究明すべく、研究を重ねた
結果、それが絶縁膜および配線における硫黄や弗素の存
在によるものであることを見出した。以下、その解析結
果について説明する。
【００２０】図７は、ダマシーン法により、絶縁膜に形
成された溝内にＣｕ配線を形成した場合の、絶縁膜とＣ
ｕ配線の界面近傍の状態を示す顕微鏡写真である。図７
（ａ）に示すように、Ｃｕ配線パターンの端部に異常部
の成長が認められた。この異常部は、工程途中の熱処理
プロセスにより生じたものである。
【００２１】この異常部をエネルギー分散Ｘ線分光（Ｅ
ｎｅｒｇｙ ＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−ｒａｙ Ａｎａ
ｌｙｓｉｓ：ＥＤＸ）法やオージェ電子分光（Ａｕｇｅ
ｒＥｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥ
Ｓ）法といった分析方法で定性分析を行ったところ、硫
黄（Ｓ）とＣｕが検出され、硫化銅化合物が配線パター
ンの端部に形成されていることが明らかとなった。
【００２２】更に、この異常部の周囲では、図７（ｂ）
に示すように、絶縁膜の膜剥がれの発生している部分が
認められた。剥離部分は、Ｃｕ配線パターンと絶縁性拡
散防止層（例えば、ＳｉＮ膜）の界面、及び層間絶縁膜
と絶縁性拡散防止層（例えば、ＳｉＮ膜）の界面であ
る。
【００２３】この硫黄成分は、絶縁膜加工後の反応生成
物の除去を目的とした処理のための薬液、Ｃｕめっきプ
ロセスで用いられる硫酸銅溶液、化学機械研磨（Ｃｈｅ
ｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎ
ｇ：ＣＭＰ）プロセスの研磨液（例えば、過硫酸アンモ
ニウム）等に含まれることが多いため、これらに由来す
るものである。
【００２４】この問題に対処することなく、半導体装置
製造プロセスを進めた場合には、硫黄成分が拡散して絶
縁膜中に含浸したり、配線層表面に付着したりする。そ
の結果、工程が進むにつれて硫黄と銅が反応して硫化銅
化合物を生成し、配線層上に積層される絶縁膜の剥離の
原因となる。
【００２５】特に、絶縁膜として、有機系塗布型絶縁膜
や多孔質絶縁膜といった比誘電率３．０以下の低誘電率
絶縁膜を用いている場合には、エッチングガスに曝され
た改質部分や研磨表面等が、硫黄成分を含む薬液を吸水
し易いことから、積層化工程が進むにつれて硫黄が配線
部分に拡散し、硫化銅化合物を形成して、配線パターン
の異常成長および膜剥がれを発生する可能性が高い。
【００２６】このようなＣｕ配線パターンの端部の異常
部分の定性分析等から、含有されていた硫黄成分の濃度
を見積もると、１原子％よりも多いことが推察される。
従って、現在のＣｕ系配線形成プロセスを用いて、硫黄
成分が局所的にでも１原子％より多く残留した場合に
は、上記の如く、Ｃｕ系配線構造、特にＣｕ系多層配線
構造の形成を大きく妨げる原因になる。
【００２７】また、有機系塗布型絶縁膜や多孔質絶縁膜
といった低誘電率絶縁膜では、エッチングに使用される
ＣＦ系ガスの構成元素である弗素（Ｆ）が加工時に入り
込むこともある。その場合、硫黄と同様のメカニズムで
弗素の拡散や反応が起こって、弗化銅化合物が形成さ
れ、膜剥がれを引き起こしてしまうこともわかった。
【００２８】これに対し、本発明では、配線形成プロセ
ス途中で硫黄成分の除去工程を行うことにより、膜剥が
れを防止することが可能となった。硫黄除去工程は、絶
縁層に配線パターン溝を形成する工程の後、配線パター
ン溝内をＣｕ系金属で埋める工程の後、配線パターン溝
内以外のＣｕ系金属層と導電性拡散防止層の部分を除去
する工程の後の少なくともいずれかの場合に行われる。
【００２９】また、硫黄除去工程は、不活性雰囲気中、
水素を含む雰囲気中、または真空中において、熱処理を
施すか、アンモニア雰囲気中でプラズマ処理を施すか、
または、アンモニア溶液処理を施すことにより行うこと
が出来る。熱処理温度は、２００〜５００℃が好まし
く、水素を含む雰囲気は、水素を１〜２０体積％含むＨ
２ ／Ｎ２ 混合雰囲気であるのが好ましい。
【００３０】このような硫黄除去工程により、Ｃｕ系金
属配線層中の硫黄濃度を、１００原子ｐｐｍ以上、１原
子％以下に、また、絶縁層中の硫黄濃度を、１原子％以
下に制御することが出来る。
【００３１】その結果、図７に示したような、Ｃｕ配線
パターンの異常、およびそれに起因する絶縁膜の剥がれ
は発生しない。なお、弗素の場合も、同様の弗素除去工
程により、Ｃｕ系配線層の弗素濃度を、１００原子ｐｐ
ｍ以上、１原子％以下に、また、絶縁層の弗素濃度を、
１原子％以下に制御することが出来る。ただし、配線パ
ターン溝内をＣｕ系金属で埋める工程の後には、全面に
Ｃｕ層が堆積されているため、弗素が除去されることは
ないので、弗素除去工程は行われない。
【００３２】一方、Ｃｕ配線上の絶縁膜が剥がれる他の
原因として、Ｃｕとその周囲の層間絶縁膜との線膨張係
数の相違が考えられる。一般的に、絶縁膜の線膨張係数
は１×１０-6〜１×１０-5［Ｋ-1］程度と予測されるの
に対し、Ｃｕ等の金属材料のそれは、約１．５×１０-5
〜４×１０-5［Ｋ-1］と大きい。この線膨張係数の差が
大きいほど、プロセス中の熱工程における体積変化によ
る不整合のため、膜剥がれを起こす可能性が高い。その
ため、硫化銅化合物が生じなくても、この原因によって
Ｃｕ多層配線構造の積層化が妨げられる。
【００３３】図８は、Ｃｕ配線形成プロセスから硫黄成
分が混入すると考えられる工程を可能な限り排除して作
製した試料のＣｕ配線断面を示す写真図である。この試
料中のＣｕ配線における硫黄濃度は１００原子ｐｐｍ未
満と推察される。
【００３４】具体的なＣｕ配線形成プロセスでは、配線
パターン溝形成後の反応生成物除去を目的とした、絶縁
膜に対する薬液処理を省略し、Ｃｕの埋め込みにはめっ
き法を用いずにスパッタ・リフロー法を適用し、その後
のＣＭＰ工程では、硫黄成分を除去した研磨液を用い
た。
【００３５】その結果、得られたＣｕ配線パターン上で
は、絶縁膜の剥離が発生しているのが認められた。剥離
部分はＣｕ配線パターンと絶縁性拡散防止層（例えば、
ＳｉＮ膜）の界面であり、前述したように、Ｃｕと層間
絶縁膜の体積変化の不整合から膜剥がれが生じたものと
考えられる。異種材料を積層する限り、線膨張係数を同
一にすることはできないが、できる限り近い値とするこ
とにより、膜剥がれを抑制することはできるものと考え
られる。
【００３６】これに対して、Ｃｕ配線中に含有する硫黄
成分を１００原子ｐｐｍ以上とした。その結果、Ｃｕの
粒界等に不純物として硫黄が析出し、線膨張係数は０．
５×１０-5〜１．５×１０-5［Ｋ-1］と小さくなるた
め、図８に示したような層間絶縁膜との線膨張係数差を
起因とする膜剥がれは発生し難くなる。なお、弗素の場
合も同様に、Ｃｕ配線中の濃度を１００原子ｐｐｍ以上
とすれば良い。
【００３７】なお、Ｃｕ配線中の硫黄または弗素量を１
００原子ｐｐｍ以上とするためには、Ｃｕ配線形成プロ
セスで混入した硫黄または弗素成分を除去してその濃度
を制御する以外にも、硫黄または弗素を含有する処理液
で、配線パターン溝の内面を処理することにより、また
は、配線パターン溝内以外のＣｕ系金属層と導電性拡散
防止層の部分を研磨・除去する工程において、硫黄また
は弗素含有する研磨液を用いることにより、実施するこ
とが出来る。
【００３８】あるいはまた、硫黄元素を添加したスパッ
タ・ターゲットを用いてシード層を成膜したり、原料ガ
スに硫黄元素を添加したＣＶＤ法によってシード層を形
成した後、めっき法でＣｕを成膜することにより、制御
性良く硫黄を混入させることが出来る。弗素の場合に
は、原料ガスに弗素元素を添加したＣＶＤ法によってシ
ード層を成膜しておくことにより、Ｃｕ中に弗素を混入
させることが出来る。
【００３９】以上のことから、銅硫黄化合物の生成によ
る膜剥がれを防止する条件と、線膨張係数差による膜剥
がれを防止するための条件を満足させるように、不純物
である硫黄または弗素成分の濃度を、Ｃｕ配線中におい
て１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下に制御すること
により、膜剥がれが生ずることなく、Ｃｕ系配線を形成
することができる。
【００４０】なお、図６は、低誘電率塗布膜とＣｕ系配
線を組み合わせた半導体装置の製造プロセスの途中に、
硫黄あるいは弗素成分の除去工程、具体的にはＣＭＰ後
にＮＨ3溶液による処理を行い、硫黄および弗素成分の
Ｃｕ配線中の濃度を１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以
下とした場合の多層配線を示す写真図である。
【００４１】図６から、図７および図８に示すようなＣ
ｕ配線パターンの異常、膜剥がれは発生していないこと
がわかる。以上により、本発明は、Ｃｕ系配線の形成に
有効であることは明らかである。
【００４２】以下、本発明の種々の実施例を示す。
【００４３】図１は、本発明の一実施例に係る、Ｃｕ多
層配線を有する半導体装置の、ダマシーンＣｕ配線部分
の形成方法を示す断面図である。
【００４４】まず、図１（ａ）に示すように、トランジ
スタ（図示せず）、トランジスタ上の絶縁膜２’および
コンタクト・プラグ（図示せず）が形成された半導体基
板１上に、気相化学成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏ
ｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法やスパッタリン
グ法あるいはスピン塗布法により、絶縁層２を形成す
る。
【００４５】次いで、フォトリソグラフィー法とエッチ
ング法を組み合わせて、図１（ｂ）に示すように、所望
の配線パターン溝３を絶縁層２に形成した後、必要に応
じ不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、または真空中
において、２００〜５００℃の熱処理を、あるいはアン
モニア雰囲気中でのプラズマ処理やアンモニア溶液の処
理を施す。これらの処理を行うことで、配線パターン溝
３を含む絶縁層２表面に硫黄あるいは弗素成分が残留し
ていた場合にも、それらの表面濃度を例えば１００原子
ｐｐｍ以上、１原子％以下とすることができる。
【００４６】次に、図１（ｃ）に示すように、スパッタ
リング法やＣＶＤ法によってバリアメタルとシード層を
成膜し、めっき法を用いてＣｕの埋め込みを行い、導電
性拡散防止層４とＣｕ層５を形成する。その後、必要に
応じ、不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、または真
空中において、２００〜５００℃の熱処理を施す。これ
によって、Ｃｕ層５中に硫黄成分が残留していた場合に
も、それらの含有率を例えば１００原子ｐｐｍ以上、１
原子％以下とすることができる。
【００４７】Ｃｕ中に、特に制御性良く硫黄を混入させ
たい場合には、硫黄元素を添加したスパッタ・ターゲッ
トを用いてシード層を成膜したり、原料ガスに硫黄元素
を添加したＣＶＤ法によってシード層を形成してからめ
っき法でＣｕを成膜しておくことによって、その後の熱
工程で所望の硫黄濃度となるＣｕ膜を得ることができ
る。
【００４８】また、弗素の場合も同様であり、原料ガス
に弗素元素を添加したＣＶＤ法によってシード層を成膜
しておくことにより、Ｃｕ中に弗素を混入させることが
出来る。
【００４９】その後、図１（ｄ）に示すように、化学機
械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐ
ｏｌｉｓｈｉｎｇ）法により配線パターン溝３内以外の
部分のＣｕ層５と導電性拡散防止層４を除去して、Ｃｕ
配線６を形成する。
【００５０】次に、必要に応じ、不活性雰囲気中、水素
を含む雰囲気中、または真空中において、２００〜５０
０℃の熱処理、あるいは、アンモニア雰囲気中でのプラ
ズマ処理やアンモニア溶液の処理を施す。これらの処理
を行うことで、Ｃｕ配線パターン６や絶縁層２の表面に
硫黄あるいは弗素成分が残留していた場合にも、それら
の表面濃度を例えば１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以
下とすることができる。
【００５１】そして、図１（ｅ）に示すように、ＣＶＤ
法等を用いてＳｉＮやＳｉＣといった、Ｃｕの拡散係数
が小さく、かつ硫黄や弗素成分の侵入を抑制することの
可能な、例えばＳｉＮからなる絶縁層７を形成すること
により、１層目のＣｕ配線層を形成することができる。
【００５２】以上のプロセスでは、Ｃｕのシングルダマ
シーン配線を形成する例を挙げたが、本発明はこれに限
るものではなく、デュアルダマシーン配線の場合にも同
様に本発明を適用することが出来る。また、以上のプロ
セスを繰り返すことによって、図１（ｆ）に示すような
Ｃｕ多層配線の形成も可能である。
【００５３】実施例２図２、図３、図４、および図５
は、Ｃｕ配線としてダマシーン配線構造を有する半導体
装置の製造プロセスを工程順に示すフローチャートであ
る。図２は、図１（ｂ）に示すように、所望の配線パタ
ーン溝３を絶縁層２に形成した後、配線パターン溝３の
内面を含む絶縁層２の表面に、硫黄成分または弗素成分
が残留していた場合のプロセスを示す。この場合、弗素
成分は、配線パターン溝３をＣＦ系エッチングガスによ
りエッチングした時に、絶縁層２の表面に残留し、硫黄
成分は、硫黄を含む処理液によりエッチング後の絶縁層
２の表面を処理した時に、絶縁層２の表面に残留する。
【００５４】これに対し、配線パターン溝３の形成後、
不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、または真空中に
おいて、２００〜５００℃の熱処理、あるいは、アンモ
ニア雰囲気中でのプラズマ処理やアンモニア溶液の処理
を施すことにより、硫黄あるいは弗素成分の表面濃度を
例えば１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下とすること
ができる。
【００５５】図３は、図１（ｃ）に示すように、めっき
法により形成したＣｕ層５中に、硫黄成分が残留してい
た場合のプロセスを示す。即ち、めっき法によるＣｕ層
の成膜は、一般に硫酸銅溶液をメッキ液として行われる
ので、そのときに硫黄がＣｕ層５中に残留する。
【００５６】これに対し、Ｃｕ層５の成膜後、不活性雰
囲気中、水素を含む雰囲気中、または真空中において、
２００〜５００℃の熱処理を施すことによって、硫黄成
分の表面濃度を例えば１００原子ｐｐｍ以上、１原子％
以下とすることができる。
【００５７】図４は、図１（ｄ）に示すように、ＣＭＰ
により導電性拡散防止層４とＣｕ層５を研磨除去し、配
線パターン６を形成した後、Ｃｕ配線パターン６上や絶
縁層２上に硫黄成分または弗素成分が残留していた場合
のプロセスを示す。即ち、ＣＭＰは、過硫酸アンモニウ
ムを含む研磨液を用いることがあるため、硫黄成分が研
磨後の表面に残留し、また、研磨により絶縁膜２が露出
するため、絶縁膜中に入り込んだＣＦ系エッチングガス
成分の弗素成分が問題となるのである。
【００５８】これに対し、ＣＭＰによるＣｕ配線６の形
成後、不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、または真
空中において、２００〜５００℃の熱処理、あるいは、
アンモニア雰囲気中でのプラズマ処理やアンモニア溶液
の処理を施す。これらの処理を行うことによって、硫黄
あるいは弗素成分の表面濃度を例えば１００原子ｐｐｍ
以上、１原子％以下とすることができる。
【００５９】図５は、配線パターン溝３内面を含む絶縁
層２表面に硫黄あるいは弗素成分が残留し、且つ、成膜
したＣｕ層５中に硫黄成分が残留し、且つ、Ｃｕ配線パ
ターン６上や絶縁層２上に硫黄あるいは弗素成分が残留
していた場合のプロセスを示す。
【００６０】これらの各工程後における硫黄および弗素
成分の残留原因は、上述した通りである。これらの各工
程後の除去工程もまた、上述した方法により実施するこ
とで、硫黄あるいは弗素成分を１００原子ｐｐｍ以上、
１原子％以下とすることができる。
【００６１】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よると、半導体基板上に形成したＣｕ系配線層を含む配
線構造において、Ｃｕ系配線中で、４００℃以上でＣｕ
と反応し、化合物を形成する元素である硫黄あるいは弗
素成分の濃度を１原子％以下とすることによって、Ｃｕ
パターンに異常反応部や異常成長部を発生することがな
くなり、これらを起点とした膜剥がれの発生を効果的に
防止することが出来る。
【００６２】また、Ｃｕ系配線中に含まれる硫黄あるい
は弗素成分の濃度を１００原子ｐｐｍ以上とすることに
よって、Ｃｕの線膨張係数を小さくし、これを起因とす
る膜剥がれの発生を防止することが出来る。
【００６３】このように、不純物である硫黄あるいは弗
素成分の濃度を、上記の２条件を満足する１００原子ｐ
ｐｍ以上１原子％以下に制御することにより、膜剥がれ
の発生しないＣｕ系配線構造を容易に形成することが可
能である。
【００６４】また、層間絶縁膜として、有機系塗布型絶
縁膜や多孔質絶縁膜といった比誘電率３．０以下の低誘
電率絶縁膜を用いた場合、エッチングガス等に曝された
改質部分に硫黄成分を含む薬液を吸水し易く、ガス分子
自体も吸収し易いことから、積層化工程が進むにつれて
硫黄あるいは弗素とＣｕが反応して硫化銅化合物あるい
は弗化銅化合物を形成し、パターン異常および膜剥がれ
を発生する可能性が高い。従って、本発明は、低誘電率
絶縁膜を層間絶縁膜として用いたＣｕ系多層配線構造の
形成に対し、特に大きな効果を発揮することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る、Ｃｕ多層配線を有す
る半導体装置の、ダマシーンＣｕ配線部分の形成方法を
示す断面図。
【図２】Ｃｕ配線としてダマシーン配線構造を有する半
導体装置の製造プロセスを工程順に示すフローチャート
【図３】Ｃｕ配線としてダマシーン配線構造を有する半
導体装置の製造プロセスを工程順に示すフローチャート
【図４】Ｃｕ配線としてダマシーン配線構造を有する半
導体装置の製造プロセスを工程順に示すフローチャート
【図５】Ｃｕ配線としてダマシーン配線構造を有する半
導体装置の製造プロセスを工程順に示すフローチャート
【図６】本発明の方法により形成したＣｕ多層配線構造
の、硫化銅化合物の形成が無く、膜剥がれも起きていな
い状態を示す写真。
【図７】従来の方法により形成したＣｕ多層配線構造
の、硫化銅化合物が形成され、膜剥がれも起きている状
態を示す写真。
【図８】可能な限り製造プロセス中の硫黄成分を除去す
る方法で形成したＣｕ多層配線構造の、Ｃｕと低誘電率
絶縁膜の線膨張係数の不整合により膜剥がれを起こした
状態を示す写真。
【符号の説明】
１…半導体基板 ２…絶縁層： ３…配線パターン溝 ４…導電性拡散防止層 ５…Ｃｕ層 ６…Ｃｕ配線 ７…絶縁性拡散防止層
フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F033 HH11 JJ01 JJ11 KK11 LL01 MM01 MM02 MM12 MM13 NN06 NN07 PP06 PP15 PP26 QQ09 QQ48 QQ73 QQ85 RR01 RR06 WW04 WW09 XX14

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体基板上に形成されたＣｕ系金属を主
    体とするＣｕ系配線層と、このＣｕ系配線層の周囲に形
    成された絶縁層とを具備し、前記Ｃｕ系金属中の硫黄の
    含有量は、１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下である
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】前記Ｃｕ系配線層は、前記絶縁層に設けら
    れた配線パターン溝内に形成されていることを特徴とす
    る請求項１に記載の半導体装置。
  3. 【請求項３】前記配線パターン溝が設けられた前記絶縁
    層の硫黄の含有量は、０〜１原子％であることを特徴と
    する請求項２に記載の半導体装置。
  4. 【請求項４】半導体基板上に形成されたＣｕ系金属を主
    体とするＣｕ系配線層と、このＣｕ系配線層の周囲に形
    成された絶縁層とを具備し、前記Ｃｕ系金属中の弗素の
    含有量は、１００原子ｐｐｍ以上、１原子％以下である
    ことを特徴とする半導体装置。
  5. 【請求項５】前記Ｃｕ系配線層は、前記絶縁層に設けら
    れた配線パターン溝内に形成されていることを特徴とす
    る請求項４に記載の半導体装置。
  6. 【請求項６】前記配線パターン溝が設けられた前記絶縁
    層の弗素の含有量は、０〜１原子％であることを特徴と
    する請求項５に記載の半導体装置。
  7. 【請求項７】前記絶縁層の比誘電率が、３．０以下であ
    ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載
    の半導体装置。
  8. 【請求項８】半導体基板上に絶縁層を形成する工程と、 前記絶縁層に配線パターン溝を形成する工程と、 不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、若しくは真空中
    で熱処理を施すか、アンモニア雰囲気中でプラズマ処理
    を施すか、または、アンモニア溶液処理を施す工程と、 前記処理の施された前記配線パターン溝の内面および前
    記絶縁層上に導電性拡散防止層を形成する工程と、 前記導電性拡散防止層上にＣｕ系金属層を形成し、前記
    配線パターン溝内をＣｕ系金属で埋める工程と、 前記配線パターン溝内以外のＣｕ系金属層と導電性拡散
    防止層の部分を除去して、前記配線パターン溝内にＣｕ
    系配線層を形成する工程と、 前記Ｃｕ系配線層および前記絶縁層上に、Ｃｕ系金属の
    拡散を抑制可能な絶縁膜を形成する工程とを具備してな
    り、前記Ｃｕ系金属層中の硫黄または弗素の濃度が１０
    ０原子ｐｐｍ以上、１原子％以下に設定されることを特
    徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 【請求項９】半導体基板上に絶縁層を形成する工程と、 前記絶縁層に配線パターン溝を形成する工程と、 前記配線パターン溝の内面および前記絶縁層上に導電性
    拡散防止層を形成する工程と、 前記導電性拡散防止層上にＣｕ系金属層を形成し、前記
    配線パターン溝内をＣｕ系金属で埋める工程と、 前記Ｃｕ系金属層に対し、不活性雰囲気中、水素を含む
    雰囲気中、または真空中で熱処理を施す工程と、 前記配線パターン溝内以外のＣｕ系金属層と導電性拡散
    防止層の部分を除去して、前記配線パターン溝内にＣｕ
    系配線層を形成する工程と、 前記Ｃｕ系配線層および前記絶縁層上に、Ｃｕ系金属の
    拡散を抑制可能な絶縁膜を形成する工程とを具備してな
    り、前記Ｃｕ系金属層中の硫黄または弗素の濃度が１０
    ０原子ｐｐｍ以上、１原子％以下に設定されることを特
    徴とする半導体装置の製造方法。
  10. 【請求項１０】半導体基板上に絶縁層を形成する工程
    と、 前記絶縁層に配線パターン溝を形成する工程と、 前記配線パターン溝の内面および前記絶縁層上に導電性
    拡散防止層を形成する工程と、 前記導電性拡散防止層上にＣｕ系金属層を形成し、前記
    配線パターン溝内をＣｕ系金属で埋める工程と、 前記配線パターン溝内以外のＣｕ系金属層と導電性拡散
    防止層の部分を除去して、前記配線パターン溝内にＣｕ
    系配線層を形成する工程と、 前記Ｃｕ系配線層を形成した後、不活性雰囲気中、水素
    を含む雰囲気中、若しくは真空中で熱処理を施すか、ア
    ンモニア雰囲気中でプラズマ処理を施すか、または、ア
    ンモニア溶液処理を施す工程と、 前記Ｃｕ系配線層および前記絶縁層上に、Ｃｕ系金属の
    拡散を抑制可能な絶縁膜を形成する工程とを具備してな
    り、前記Ｃｕ系金属層中の硫黄または弗素の濃度が１０
    ０原子ｐｐｍ以上、１原子％以下に設定されることを特
    徴とする半導体装置の製造方法。
  11. 【請求項１１】半導体基板上に絶縁層を形成する工程
    と、 前記絶縁層に配線パターン溝を形成する工程と、 不活性雰囲気中、水素を含む雰囲気中、若しくは真空中
    で熱処理を施すか、アンモニア雰囲気中でプラズマ処理
    を施すか、または、アンモニア溶液処理を施す工程と、 前記処理の施された配線パターン溝の内面および前記絶
    縁層上に導電性拡散防止層を形成する工程と、 前記導電性拡散防止層上にＣｕ系金属層を形成し、前記
    配線パターン溝内をＣｕ系金属で埋める工程と、 前記Ｃｕ系金属層に対し、不活性雰囲気中、水素を含む
    雰囲気中、若しくは真空中において熱処理を施す工程
    と、 前記配線パターン溝内以外のＣｕ系金属層と導電性拡散
    防止層の部分を除去して、前記配線パターン溝内にＣｕ
    系配線層を形成する工程と、 前記Ｃｕ系配線層を形成した後、不活性雰囲気中、水素
    を含む雰囲気中、若しくは真空中で熱処理を施すか、ア
    ンモニア雰囲気中でプラズマ処理を施すか、または、ア
    ンモニア溶液処理を施す工程と、 前記Ｃｕ系配線層および前記絶縁層上に、Ｃｕ系金属の
    拡散を抑制可能な絶縁膜を形成する工程とを具備するこ
    とを特徴とする半導体装置の製造方法。
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